在饮用水处理工艺发展过程中, 消毒是一个必不可少的重要环节。100多年的饮用水消毒剂发展史上, 先后出现了多种消毒方式, 按其消毒原理可分为4类:氯消毒、二氧化氯消毒、臭氧消毒、紫外线消毒。其中, 液氯消毒由于价格低廉、技术成熟、操作简便、广谱杀菌、余氯的维持性等优点, 在各大水厂得到广泛应用。但是, 氯气是一种具有强烈刺激性的剧毒危险品, 存在巨大的安全风险。虽然我们国家对液氯的采购、运输、存储、使用等有着严格的管制, 但是如果使用不当发生泄漏, 将造成极大的破坏。为确保安全供水和社会安定, 次氯酸钠作为一种新型消毒剂, 消毒机理与液氯相似, 消毒作用持久、投加安全可靠, 近年来已在浙江省内100多家水厂逐步推广应用。

　　 次氯酸钠, 俗称漂白水, 为无色或淡黄色液体, 有少量刺激性气味, 易溶于水, 高浓度次氯酸钠稳定性差, 5%以下较为稳定, 有效氯衰减缓慢。目前水厂次氯酸钠消毒剂的投加方式有现场制备投加和购买商品次氯酸钠稀释投加两种。

　　 水厂现场制备次氯酸钠一般为电解法, 浙江省内采用该方式的水厂有嘉兴贯泾港水厂^[1]、岱山小高亭水厂^[2]等。电解法为使用次氯酸钠发生器将食盐水电解生成次氯酸钠, 反应式为:NaCl+H₂O→NaClO+H₂↑。电解法整套系统由溶盐池、电解电极、整流电源、软水器、盐水泵等组成, 其制备流程为水厂滤后水经过软水器, 去除水中的钙镁离子, 将硬度降低至10mg/L以下, 该软水一部分进入溶盐池溶解食盐晶体, 形成30%的饱和食盐水, 另一部分与溶盐池中的饱和食盐水通过计量泵配比, 形成3%的稀盐水进入次氯酸钠发送器。溶液在直流电的作用下被电解, 阳极产生氯气, 阴极产生氢氧化钠, 两者接触反应生成次氯酸钠溶液。目前次氯酸钠现场制备技术已较为成熟, 膜板式高质量钛合金电极寿命可达到5年以上, 直流电效率在85%以上, 可全自动运行, 制备产生的副产物氢气可通过大风量风机稀释排除。该技术制备的次氯酸钠有效氯在1%左右, 比较稳定, 容易保存, 可以边制备边投加, 但设备的一次性投入较大, 对水厂的设备维护管理要求高, 用电负荷较大, 必要时需要电力外线增容。

　　 购买商品次氯酸钠稀释投加法为多数水司采用的投加方式, 浙江省内采用此方式的水厂有金华金沙湾水厂、萧山江东水厂、杭州九堡供水泵站等。商品次氯酸钠一般由次氯酸钠生产厂家通过液碱氯化法反应制备, 其成品有效氯含量一般在10%以上, 有效氯、游离碱、重金属等相关指标要求符合《次氯酸钠》 (GB 19106—2013) 标准^[3]。水厂在药剂入库时会对次氯酸钠原液进行抽检, 合格后入库使用。进厂高浓度次氯酸钠极不稳定、易分解, 水厂需要将商品次氯酸钠存储至避光、低温的车间以降低有效氯衰减速率。此外, 有效氯5%以上的次氯酸钠仍属于危险化学品, 其运输、使用仍需受安监局监管, 部分水厂鉴于安全考虑和减少有效氯衰减需要, 次氯酸钠进厂后立刻将有效氯稀释到5%以下。购买商品次氯酸钠稀释投加法一次性投入成本较现场制备投加法低, 后期设备运行管理较为简便, 但商品次氯酸钠受厂家生产、运输、稀释、存储等过程影响较大, 需控制好每一个环节, 方可确保药剂精准投加。如水厂距离次氯酸钠供货商较远, 则需承担较大的运输成本。

　　 以浙江省内某制水规模20万m³/d的水厂为例, 厂区原有一套液氯投加系统, 设前加氯、后加氯、补加氯3个投加点, 原水经预氧化、2次杀菌消毒后保证出厂水余氯0.5~0.75mg/L。加氯设备包括氯瓶、蒸发器、加氯机、输送管道及附属设备等, 液氯投加流程为:氯瓶 (带电子秤) -过滤器-自动切换器-蒸发器-减压阀-真空调节器-加氯机-水射器-加氯点。水厂选用的是美国W&T公司生产的型号为1000PPD的真空加氯机, 真空调节器及控制柜放置在加氯间, 水射器在加氯点附近。运行时, 水射器产生的真空通过控制柜传到真空调节器, 阀内膜片一面感受真空, 另一面承受气压, 在作用力下移动弹簧顶杆, 使阀塞脱离阀座, 阀前压力气体调节为正常运行真空度, 真空气体沿管线进入控制柜, 经转子流量计测定流量, 并通过V型槽阀孔面积的变化控制, 再由差压阀通过恒定V型槽前后压差保持其流速稳定, 然后沿管线进入水射器, 与水混合为氯水溶液, 送至加氯点。水厂有美国W&T公司生产的液氯蒸发器2台, 正常投加时蒸发器开启, 水浴槽水温保持在180℃, 使液态氯较快转化为气态氯。从氯瓶到真空调节器之间的管道为压力管道, 管道选用无缝钢管及防腐耐压的管件、阀门, 管路上设有缓冲罐、减压阀等安全设施。从真空调节器至水射器之间的管道为VPC-U真空管道。如果真空管破裂、水射器故障使管道失去真空, 加氯机的弹簧进气阀将自动关闭, 避免了漏氯。该厂氯库采用密闭式管理, 安装了液氯吸收装置及报警系统, 氯库、蒸发器间离地30cm处设有监控探头, 当空气中氯气达到设定浓度时, 氯气检测器报警、发出信号, 风机、NaOH循环泵将先后启动, 通过抽风机将含氯空气抽吸送到中和塔内, 循环泵将NaOH溶液提升至塔顶, 向下喷淋、脱除氯气。

　　 2014年该厂实施了消毒系统改造, 改造期间在厂区设置次氯酸钠临时投加系统, 并在改造完成后实现切换。考虑到原有水厂加氯间设备用电负荷及原有加氯间场地等因素, 以及次氯酸钠供货商离水厂较近, 该厂在改造时选择了购买次氯酸钠商品液投加的方案。改造后, 原有的液氯氯瓶存储间改为次氯酸钠溶液存储间, 并对存储间的地基进行加固处理。次氯酸钠投加系统布置见图1。

　　 次氯酸钠投加系统采用模块化设计, 由进料模块、储配模块、投料模块、控制模块4部分组成。其中进料模块采用一体化撬装装置, 由卸料泵、流量计、浓度计、阀门、管路、控制箱、支架等组成。该部分主要功能是次氯酸钠供应商将10%的次氯酸钠商品液送至水厂, 水厂水质监测室工作人员对次氯酸钠商品液抽检合格后, 当班加药工引导槽罐车停至合适位置, 将槽罐车上的管路连接到活接上, 确认管路连接紧固后, 开启所需进料阀门, 启动耐腐蚀磁力泵, 输送商品次氯酸钠原液至PE储罐内, 记录进药量和原液浓度。储配模块由PE储罐、透明液位管、超声波液位计、手动蝶阀、电动球阀、取样阀等组成。该部分主要功能是商品次氯酸钠原液的稀释和存储, 10%的次氯酸钠商品液送入储罐前后, 水厂加药工现场通过观察透明液位管记录储罐进药前后液位, 然后用清水将原液对应稀释至4%左右存储待用, 化验员亦可通过开启取样阀对存储较长时间的稀释剂进行人工检测。投料模块采用一体化撬装装置, 由计量泵、脉动阻尼器、安全阀、背压阀、Y型过滤器、流量计、阀门、管路、控制箱等组成, 该部分主要功能是确保药剂精准投加。计量泵采用ALL-DOS数字计量泵, 可在线读取药剂输出量, 精确度高达1.5%, 能够满足日变化系数较大的水厂低制水量条件下次氯酸钠小流量精准投加的需要。控制模块包括控制柜体、触摸屏、PLC、变频器等设备, 通过工业网连接, 可在中控室实现消毒工艺的远程控制, 切换至现场控制时, 亦可通过现场触摸屏切换计量泵的启停, 调节计量泵输出频率和冲程。

　　 公司选择相同取水水源的2座水厂, 在9月份水质稳定期开展次氯酸钠替代液氯消毒生产试验, 即在相同时间内保持液氯消毒的水厂和次氯酸钠消毒的水厂前加氯有效氯投加量相同, 按0.8mg/L、1.2mg/L、1.6mg/L 3个梯度试验, 每小时对沉后水余氯进行检测记录。根据厂家提供的液氯与次氯酸钠理论投加比为1∶10, 即1kg液氯有效氯量相当于10kg×10%次氯酸钠溶液有效氯量, 实际根据沉后水余氯反馈投加得到液氯与次氯酸钠的实际投加比约为1∶8。这主要是因为液氯是作为气体利用水射器进行投加的, 在沉淀池露天的情况下较容易逸散于空气中;次氯酸钠是液体投加, 易溶于水, 虽易光解但在稀释后低浓度下可忽略, 所以次氯酸钠比液氯在制水过程中更为稳定。从自动投加的稳定性上分析, 次氯酸钠稍有优势。

　　 分别对两座水厂的工艺水质进行取样, 并委托公司水质监测中心对水中消毒副产物进行检测, 包括三氯甲烷、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷、四氯化碳等, 水中消毒副产物相关检测数据见表1。

　　 根据《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 三氯甲烷的限值为0.06mg/L, 四氯化碳的限值为0.002mg/L, 三氯乙烯的限值为0.07mg/L, 一氯二溴甲烷的限值为0.1mg/L, 二氯一溴甲烷的限值为0.06mg/L, 四氯乙烯的限值为0.04mg/L, 三溴甲烷的限值为0.1mg/L。从表1可以看出无论是用液氯还是使用次氯酸钠作为消毒剂, 在总氯基本相等情况下, 两种消毒剂使用后所产生的消毒副产物相差并不大, 并且四氯化碳、一氯二溴甲烷、二氯一溴甲烷、三溴甲烷等的浓度均远低于国家标准限值;三氯甲烷较高但也在标准限值之内;同时也发现, 随总氯升高, 沉后和滤后水中三氯甲烷的含量有所增加。

　　 液氯和次氯酸钠都具有一定的危险性。液氯不会燃烧, 但可助燃。一般可燃物大都能在氯气中燃烧, 易燃气体或蒸汽也都能与氯气形成爆炸性混合物。氯气能与许多化学品如乙炔、松节油、乙醚、氨、燃料气、烃类、氢气、金属粉末等猛烈反应发生爆炸或生成爆炸性物质。它几乎对金属和非金属都有腐蚀作用。氯气有强的扩散性, 近几年因液氯发生爆炸而造成的人身重大伤害事故时有发生, 事故发生后对环境的毒害作用非常大;液氯一旦泄露, 轻则会造成操作人员的伤害, 重则可能危及周边群众生命的安全。而次氯酸钠并不具有可燃性, 也不助燃, 它具有一定的腐蚀性, 在吸入、食入、皮肤接触的情况下可致人体灼伤, 具有致敏性。

　　 对比两种消毒剂 (见表2) 次氯酸钠要安全得多, 同时次氯酸钠在运输和投加上也比液氯安全。采购上, 液氯需要办理专门的剧毒化学品手续;运输上, 液氯需要公安局批准的专用车辆, 操作人员必须经过专门的特殊工种技术培训;管理上, 使用单位需要每年对加氯系统进行专门的评估, 制定专门的应急处理预案, 并定期进行演练, 每月需要接受当地公安机关的安全检查, 检修工器具需要定期进行安全性检验;投加上, 气体与水的溶解性较低, 容易散失。而次氯酸钠在采购上可以用普通的罐装车运输, 管理上使用5%次氯酸钠液体投加, 可直接通过隔膜计量泵定量投加, 投加设备简单可靠, 操作可采用自动化操控。投加上次氯酸钠基本溶于水, 少有氯气溢出, 余氯含量稳定, 臭和味也较液氯消毒有所改善。

　　 从建设成本上看, 以某制水规模20万m³/d的水厂为例, 在原有加氯间的基础上, 对原有设施进行拆除, 并完成土建地基加固, 新增药剂配置、存储、投加、控制系统, 合计建设成本约为98.6万元 (见表3) 。

　　 从运行成本上看, 按照液氯投加量2.7mg/L, 以及实际试验投加确定的液氯与10%次氯酸钠投加比1∶8, 计算得到对应次氯酸钠原液投加量为21.6mg/L。综合药剂成本、电费、维护管理成本和折旧, 次氯酸钠与液氯年均成本比为5∶3 (见表4) 。3结语

　　 (1) 次氯酸钠和液氯同为氯化消毒, 消毒机理相同, 次氯酸钠作为消毒剂完全能达到液氯的效果。

　　 (2) 以次氯酸钠作为消毒剂, 出厂水水质能够达到国家饮用水水质标准及水厂内控标准。

　　 (3) 在两种药剂实际投加过程中, 次氯酸钠实际加药量约为液氯加药量的8倍, 低于理论值 (10倍) 。

　　 (4) 次氯酸钠的投加、储存及管理简单, 可以大大降低液氯存在的安全隐患和事故风险, 提高水厂的安全等级。

　　 (5) 制水规模20万m³/d的水厂次氯酸钠改造成本预计100万元, 且其后的投加成本也将增加。按20万m³/d水量计, 每年成本增加约73万元, 单位成本增加0.01元/m³。